Multiple pathogen detection using nanoplasmonic sensing

Opportunistic diseases caused by Human Immunodeficiency Virus (HIV) and Hepatitis B Virus (HBV) is an omnipresent global challenge. In order to manage these epidemics, we need to have low cost and easily deployable platforms at the point-of-care in high congestions regions like airports and public transit systems. In this dissertation we present our findings in using Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR)-based detection of pathogens and other clinically relevant applications using microfluidic platforms at the point-of-care setting in resource constrained environment. The work presented here adopts the novel technique of LSPR to multiplex a lab-on-a-chip device capable of quantitatively detecting various types of intact viruses and its various subtypes, based on the principle of a change in wavelength occurring when metal nano-particle surface is modified with a specific surface chemistry allowing the binding of a desired pathogen to a specific antibody. We demonstrate the ability to detect and quantify subtype A, B, C, D, E, G and panel HIV with a specificity of down to 100 copies/mL using both whole blood sample and HIV-patient blood sample discarded from clinics. These results were compared against the gold standard Reverse Transcriptase Polymerase Chain Reaction (RT-qPCR). This microfluidic device has a total evaluation time for the assays of about 70 minutes, where 60 minutes is needed for the capture and 10 minutes for data acquisition and processing. This LOC platform eliminates the need for any sample preparation before processing. This platform is highly multiplexable as the same surface chemistry can be adapted to capture and detect several other pathogens like dengue virus, E. coli, M. Tuberculosis, etc.

Bioactivity of extracts from extremophile microalgae Coccomyxa sp. on chloride cells in operculum tissue of Fundulus heteroclitus

Microalgae have been studied because of their great potential as a source of new compounds with important value for biotechnology and to understand their strategies of survival in extreme environments. The microalgae Coccomyxa sp., studied in this thesis, is a poly-extremophile witch was isolated from the acid mine drainage of S. Domingos mine. This environment is characterized by low pH (<3) and high concentration of metals, such as copper and iron. The main purpose of the present work was to evaluate the potential bioactivity in an ex-vivo animal model (Fundulus heteroclitus), and expression on selected genes, of cellular extracts obtained from cultures of Coccomyxa sp. at pH 7 without or with exposure to copper (0.6mM Cu²+). The extracts of Coccomyxa sp. cultured at pH 7 exposed to copper show a great potential to be used as epithelial NKCC inhibitors, revealing their potential use as diuretics, but did not show significant effects on gene expression. Coccomyxa sp. could be a good source of cellular extracts with a great potential to be used in pharmaceutical and biotechnology industries.

Studio di profili di espressione di geni coinvolti nello sviluppo larvale del Mitilo Mytilus galloprovincialis.

La presente ricerca si focalizza su alcuni processi chiave dello sviluppo larvale del mitili M. galloprovincialis: la biomineralizzazione, in quanto elemento fondamentale per la formazione della conchiglia; lo sviluppo ed il mantenimento della struttura cellulare, in quanto il progredire dello sviluppo comporta molteplici cambiamenti a tutti i livelli; la detossificazione, in quanto capace di fornire l’adeguata protezione. Lo studio ha visto l’impiego di tecniche molecolari (RT-qPCR) al fine di valutare l’espressione di geni codificanti per l’enzima anidrasi carbonica, la proteina extrapalliale, il recettore 5-HT1, la proteina actina, i trasportatori di membrana P-gp e Mrp, e gli enzimi catalasi e glutatione S-transferasi. È stata poi esaminata l’attività dell’enzima protein-chinasi A e si è caratterizzato il sistema MXR. Inoltre si è cercato di valutare il coinvolgimento di meccanismi cAMP/PKA-dipendenti nella regolazione dell’espressione di geni sopra menzionati. A tale scopo, sono stati utilizzati i composti farmaceutici propranololo e carbamazepina, che, da studi precedenti, sono noti interferire nella regolazione della via di trasduzione cAMP/PKA dipendente nel mitilo. I risultati di questa ricerca permettono di affermare che lo sviluppo larvale è un processo continuo in cui vi sono costanti cambiamenti fisiologici. L’espressione basale dei trascritti studiati ha mostrato evidenti variazioni nel tempo tra uova fertilizzate, trocofore e veliger, con un trend generale di sovraregolazione. E’ emerso anche che durante il suo sviluppo, il mitilo mediterraneo non presenta lo stesso tipo di regolazione della trascrizione riscontrabile nell’esemplare adulto. La modulazione dell’espressione da parte dei farmaci utilizzati ha comportato sovra- o sotto-espressione dei geni esaminati, indicando il possibile coinvolgimento di vie di regolazione della trascrizione affidate alla trasduzione del segnale neuroendocrino e del pathway cAMP/PKA dipendente

Effetto sul microbiota intestinale della sostituzione dei nitriti con antiossidanti naturali in salami sperimentali

Recentemente il consumo di carne ha attirato l'attenzione per motivi salutistici, ambientali ed etici; pertanto è sempre più urgente considerare formulazioni di prodotti a base di carne più salutari e sostenibili inclusi in una dieta sana e nutriente. In questa tesi sono stati valutati gli effetti in vitro sul microbiota intestinale umano di salami riformulati sostituendo i nitriti con acido ascorbico e antiossidanti vegetali. A questo scopo è stato utilizzato il modello intestinale in vitro MICODE, nella versione che include la digestione gastro-duodenale seguita dalla fermentazione colonica. Gli effetti sul microbiota intestinale sono stati valutati attraverso tecniche di analisi quantitativa Real Time qPCR in base agli shift di alcune popolazioni microbiche, sia quelle benefiche (come Lactobacillales, Bifidobacteriaceae, Clostridium gruppo IV), sia quelle opportuniste (come Enterobacteriaceae, Clostridium gruppo I) e infine il rapporto Firmicutes/Bacteroidetes (importante indice di eubiosi del microbiota intestinale dell’ospite). Inoltre, sono state analizzate, tramite SPME-GC-MS, le molecole volatili prodotte in seguito alla fermentazione colonica, sia positive, come gli SCFA, sia negative, come fenolo e cresolo. I risultati ottenuti hanno mostrato che le formulazioni innovative promuovono una generale eubiosi del microbiota intestinale e una riduzione di popolazioni microbiche negative, in confronto ai controlli. Inoltre, l’analisi del volatiloma evidenzia una maggiore produzione di molecole benefiche e una maggiore riduzione delle molecole negative per l’ospite. Sebbene le formulazioni innovative non abbiano dato benefici nettamente superiori a quelli dei controlli, i risultati ottenuti sono promettenti, in quanto gli antiossidanti utilizzati in sostituzione hanno dato risultati comparabili a quelli ottenuti con il formulato tradizionale.

Tecniche di group testing per il rilevamento di SARS-CoV-2

Oggigiorno l'individuazione diagnostica precoce della SARS-CoV-2 attraverso tamponi molecolari è fondamentale per interrompere la trasmissione del virus. Tuttavia, il monitoraggio della diffusione virale attraverso il test standard di RT-qPCR individuale comporta un elevato costo per ciascun tampone nasofaringeo analizzato e i reagenti chimici per l’estrazione dell’RNA virale sono sempre meno disponibili. Per ovviare a tali ostacoli, è stata ripresa la tecnica di group testing, sviluppata per la prima volta da Dorfman nel 1943 per individuare i soggetti affetti da sifilide prima del loro arruolamento. Questa strategia minimizza il numero di test condotti su un insieme di campioni: se un gruppo di n campioni risulta negativo, allora la condizione di ciascuno di essi è stata determinata mediante un solo test invece che con n test individuali. Negli ultimi due anni sono state sviluppate strategie in grado di migliorare le prestazioni del test di gruppo: per scenari a bassa prevalenza l’algoritmo dell’ipercubo rileva un singolo campione positivo in pool con dimensioni fino a 100 campioni attraverso due o più turni di test; invece, il P-BEST utilizza un solo turno di analisi, ma le dimensioni massime dei pool sono più ridotte. Per scenari ad alta prevalenza (10%) il team italiano dell’Università di Bologna ha progettato un metodo che identifica e rileva i membri infetti con un solo turno di test. Tuttavia, affinché il group testing sia efficace come l’analisi individuale dei tamponi molecolari, è necessario minimizzare l’effetto di diluizione, correlato alla dimensione del pool e causa di insorgenza di falsi negativi, nonché di un calo nella sensibilità nei test. I dati ottenuti da questi studi hanno dimostrato che questa strategia offre grandi potenzialità. Essa è essenziale per le indagini di routine della popolazione e concede vantaggi amplificati soprattutto se vengono testati soggetti quotidianamente in contatto tra loro, come famiglie o colleghi di lavoro.